多层软土中超长桩荷载传递行为的现场测试与三维有限元数值模拟研究

本研究针对多层软土中超长桩（L>60m）荷载传递机制尚不明确的问题，通过4组现场静载试验（SLT）结合三维有限元（3D-FEM）建模，创新性地采用动态强度折减因子（Ri）校准方法，揭示了桩侧摩阻力占比超90%的主导规律及临界状态（sh>25mm，p>14,000kPa）下桩端阻力激增现象，提出了基于土体参数与荷载压力的Ri计算方程，为软土地区超长桩设计提供了重要理论工具。

　　

在快速城市化进程中，高层建筑和重大基础设施对桩基承载力提出了更高要求。位于湄公河三角洲的胡志明市，地质条件复杂，软土层厚度可达30米，给超长桩（长度>60米）的设计带来巨大挑战。尽管桩基荷载传递机制研究已持续多年，但超长桩在复杂软土中桩侧摩阻力和桩端阻力的协同响应机制仍缺乏深入认识。传统研究多聚焦于中短桩（L<40米），且有限元（FE）建模中界面单元强度折减因子（R_i）的取值混乱（0.34-0.8），导致模拟结果与实测偏差显著。

针对这些问题，来自越南的研究团队通过4组全仪器化静载试验（直径1-1.5米，长度70-80米的钻孔桩），结合三维有限元（3D-FEM）分析，采用硬化土（HS）模型和虚拟界面单元，系统研究了超长桩在多层软土中的荷载传递行为。研究创新性地提出动态R_i校准方法，通过分层分荷载阶段验证，实现了桩身不同深度处桩侧摩阻力与桩端阻力的同步精准预测（误差<10%）。

关键技术包括：1）基于ASTM标准的现场静载试验（SLT）与应变片数据反演；2）采用Plaxis软件建立三维体积桩模型，硬化土（HS）模型参数通过SPT-N值（标准贯入试验）和有效应力换算；3）界面单元强度折减因子（R_i）的多阶段动态校准；4）提出"主动摩阻力比"新参数量化荷载传递过程。

研究结果揭示：

1. 荷载传递机制

• 临界状态阈值：当桩顶位移s_h>25mm且压力p>14,000kPa时，桩侧摩阻力占比从>90%骤降至63%，桩端阻力从<10%激增至37%。
• 桩长效应：70米桩的临界位移比80米桩更早出现（25mm vs 50mm），且80米桩的桩端阻力贡献率始终高出10%。

1. 桩侧摩阻力演化

• 三阶段特征：弹性阶段（线性增长）→软化阶段（峰值后衰减）→脱黏阶段（残余摩擦），深层土体（h>30米）需更大荷载才能达到峰值摩阻力。
• 主动摩阻力比：定义当前摩阻力与最大值的比值，发现其随压力增长至94%后因土-桩脱黏而下降。

1. 数值模型创新

• R_i动态方程：建立R_i与有效应力（σ₁'）、土体抗剪强度（τ_max）的幂律关系（R²>0.8），如R_i=0.523(p/τ_maxσ₁')^0.21。
• 直接计算法：通过R_i反推桩侧摩阻力q_s=0.038R_i^3.91σ₁'τ_{max，验证误差<30%。}

结论与意义：
该研究通过"现场-数值"耦合方法，首次系统阐明了超长桩在软土中的荷载传递规律，突破了过去FE建模仅拟合桩顶荷载-位移曲线的局限。提出的动态R_i校准策略和计算方程，解决了界面单元参数选择的行业难题。实际应用中，设计人员可根据土体SPT-N值、有效应力和荷载压力快速确定R_i，显著提升FE建模效率。研究还发现越南规范（TCVN 10304:2014）设计值比实测极限摩阻力低40-50%，为修订行业标准提供了数据支撑。

未来研究可进一步探讨R_i变化对土体变形场的影响。该成果发表于《Soils and Foundations》，为湄公河三角洲等软土地区的超长桩设计提供了重要理论工具和实践指南。